摘 要： 随着社会经济发展及科学技术进步，钢制压力容器与管道等过程装备的安全性与经济性越来越被人们所关注，钢制压力容器和管道应力分析越来越被重视，两者在理论基础、应力组成、校核条件以及分析目的等方面都存在一定的差异。基于此，本文从二者的行业标准、理论基础、应力种类以及校核条件等方面进行了对比分析，以期为钢制压力容器分析与设计和管道应力分析提供一定的借鉴。
关键词： 钢制压力容器；管道；应力种类；校核标准；差异
1管道应力分析与压力容器设计设计标准与理论基础
目前，国内基于应力的分析与设计标准为JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》，在分析与设计的过程中可以借助ANSYS和VAS应力分析软件，较为方便。相对于压力容器设计标准，国内还没有制定管道应力分析与设计相关标准，针对管道应力分析与设计仍是参考ASME B31中的设计标准，分析与设计主要使用美国的CAESAE软件，管道应力分析与设计侧重的不仅仅是局部应力分析，而且还涉及到管道整个体系的应力分析，所以在管道优化设计的过程中应用十分广泛。对于压力管道应力分析，其目的在于保障压力管道体系及附属设备和附属建筑结构的安全；而对于压力容器分析与设计，主要是科学合理的设计压力容器以保障压力容器的安全，并在此基础上要注重节约设计和制造成本。压力容器分析与设计和管道应力分析二者采用的方法都为力学中最为常用的有限元分析法，因而二者在理论基础以及实践操作上都有很大的相似之处。
2钢制压力容器分析设计与管道应力分析
钢制压力容器分析与设计以弹性应力分析为基础，采用下限载荷理论的分析设计方法。根据材料力学中的极限载荷下限的定理可知任何静力容许场所对应的载荷都为极限载荷的下限，如果应力的分布沿着厚度方向呈线性分布，那么就可以满足应力场分析方法的要求。为了不使应力场中的任何一点超出材料屈服的极限，需要要求薄膜应力与弯曲应力之和小于材料屈服极限。对于不同的钢制压力容器，只要其应力场分布满足平衡屈服条件即可而不需要呈线性分布，在实际设计过程中需要满足线性材料的模型，最小形变理论，Mises屈服准则以及塑性流的相关理论，以下图为例来具体说明钢制压力容器的分析设计过程：
首先以SCL相同的方式来对极限分析线进行定义[ SCL：广泛的安全检查表法。]，并确定局部坐标系下所分布的各应力分量，其次分别计算作用在LAL上应力分量的合力与合力矩，计算应力的阶梯式分布，沿着极限分析线来确定Mises应力分布，确定极限应力的最小值，计算屈服强度的壁厚，最后计算每条极限分析线的极限载荷。
管道应力分析涉及的方面较多，分为静力分析与动力分析。其中静力分析的内容主要包括对压力载荷以及持续载荷下一次应力的计算，可以有效防止塑性变形；管道中由于热胀冷缩、断点位移作用下的二次应力计算可以防止金属疲劳所产生的形变；管道对设备的应力计算，可以有效控制作用力在设备可承受的范围之内。管道吊架的计算，可以为吊架的设计提供依据；管道法兰受力计算可以防止法兰泄漏。动力分析主要包括管道自振频率分析，管道的强迫振动分析，往复式压缩气柱的频率分析等。
3钢制压力容器设计与管道应力种类
钢制压力容器与管道应力分析二者所采用的分析模型分别为薄壁模型和厚壁模型。其中薄壁模型假设应力壁厚是均匀分布的，在很大程度上忽略了弯曲所导致的应力，这种方法经常被用在钢制压力容器应力分析与设计过程中。而厚壁模型则以应力沿着壁厚是可以变化的认识为基础，考虑到弯曲所形成的应力。所以从这个角度来看，厚壁模型相对于薄壁模型更加的准确。并且在ASME B31对二者的适用情况进行了规定，一般认为当管壁的压力大于43MPa的时候薄壁模型已经无法适用，而应该采用厚壁模型来对管道的应力进行分析。在压力容器与管道应力分析的过程中涉及到的应力种类较多，由于不同种类的应力对设备的损坏和威胁程度不同，因而针对不同种类的应力都有相应的校核标准，以确保压力容器与管道的安全。压力容器设计过程中所涉及到的应力主要包括一次应力（主要是为了平衡压力或者机械负荷所需要的法向力或者剪应力）、二次应力（主要是为了满足局部约束条件或者是避免结构形变所必须的法向的应力或者剪应力）、峰值应力（主要是指由于局部的结构不连续或者热效应所引起的附加在一次应力上的增量），在这当中一次应力又包括总体的薄膜应力、一次薄膜应力和一次弯曲应力；二次应力主要包括边缘应力以及温度应力。在管道应力分析过程中主要用到了应力增大系数参数，而应力增大系数主要是通过疲劳测试得到。并且在管道应力分析的过程中一次应力指的是应力纵向组合的和，但并不是在所有情况下都能为最大的应力。
4压力容器与管道应力校核条件
4.1压力容器
钢制压力容器在分析与设计过程中前面所述的各种应力条件在假设载荷组合的系数为1的时候各种校核条件分别为：（1）一次总体薄膜应力小于许用应力.（2）一次局部薄膜的应力小于1.5倍的许用应力.（3）一次总体薄膜应力或者是一次局部薄膜应力和一次弯曲的应力之和应当小于1.5倍的许用应力。（4）一次总体薄膜的应力或者一次薄膜局部的应力与一次弯曲的应力之和与二次应力之和应当小于3倍的许用应力。（5）一次總体薄膜的应力或者是一次薄膜局部的应力和一次弯曲的应力以及峰值应力之和应当小于2倍的许用应力的幅值，许用应力以及许用应力的幅值可以通过测试过程中的疲劳曲线获得。在上述校核条件中，由于一次薄膜总体应力的影响范围较大，涉及到容器的整个结构因而最为危险，所以一次总体薄膜的应力小于许用应力该条件最为严格。另外一次局部薄膜的应力应当小于1.5许用应力，考虑到一次局部薄膜应力的自限性和衰减因而此控制条件可以在一定程度上放宽。校核条件3是根据矩形截面的弯梁极限分析而得到的结果，因而充分考虑到了屈服应力充分分布的情况，所以可以适当的放宽要求。校核条件4通过对结构的应力分析而得到的，条件5是根据疲劳测试而得到的，但是在实际的情况通常循环次数较低，只要满足校核条件4就一定能满足校核条件5。而对应的管道应力分析的过程中各种条件分别为：一次应力应当小于热态许用应力，二次应力应当小于应力范围减小系数与1.25倍冷态许用应力和0.25倍的热态许用应力之和的乘积，通常情况下应力范围减小系数的取值与循环次数有直接的关系，一般取值范围为0.3到0.9之间。
4.2容器管道
管道应力分析主要以ASME B31为标准，工艺管道的应力校核条件主要包括以下几个方面：（1）一次应力的校核条件只是针对管道纵向的组合应力，而与其他强度理论无关，二次应力主要基于最大剪应力理论。（2）在对管道进行应力分析的过程中没有考虑局部薄膜应力和一次弯曲应力，因而一次应力仅指总体薄膜应力。（3）工艺管道的二次应力校核条件主要针对安全性，理论基础与压力容器的一次应力和二次应力完全相同，校核条件也一致，主要是为防止低周期的疲劳破坏。（4）在管道设计的校核条件中引入了应力范围系数，该系数与循环次数相关，如果循环次数较大那么对应力变化的范围需要进行限制，进而在一定程度上防止疲劳而造成对管道的损坏。
结语
通过对压力容器应力分析与管道应力分析二者的对比分析发现，二者在分析的目的，分析过程中所依据的理论基础以及应力种类和校核条件方面都存在着一定的差异，因而在后续压力容器与管道的分析设计过程中应当将二者区分开来，充分保障压力容器和管道的设计安全与其经济性。
参考文献
[1]胡跃华.钢制压力容器分析设计与其管道应力分析的比较[J].石油化工设计.2007，（1）：25-27.
[2]]曾文静.钢制压力容器分析设计与其管道应力分析的比较[J].化工设计通讯，2017，43（01）.